董新濤 ， 康小寧 ， 李寶偉 ， 裘愉濤 ， 田巧紅 ，

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049；2.國網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；3.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），武漢 430074；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；5.中國移動通信集團(tuán)河南有限公司許昌分公司，河南 許昌 461000）

0 引言

就地化保護(hù)采用高防護(hù)、小型化設(shè)計(jì)，直接安裝于被保護(hù)設(shè)備附近，電纜直接采樣、直接跳閘。相對于傳統(tǒng)變電站，縮短了二次回路長度，采用標(biāo)準(zhǔn)接口，提高了可靠性。站內(nèi)保護(hù)裝置間信號通過GOOSE（面向通用對象的變電站事件）網(wǎng)傳輸，簡化了變電站二次回路。相對于智能變電站，就地化保護(hù)不依賴合并單元和智能終端，減少了繼電保護(hù)的中間環(huán)節(jié)，提升了繼電保護(hù)的整組動作速度[1-2]。就地化主變壓器（簡稱主變）保護(hù)、母差保護(hù)、線路保護(hù)等構(gòu)成了層次化保護(hù)系統(tǒng)中就地級保護(hù)，除就地級保護(hù)，層次化保護(hù)系統(tǒng)還包括站域級保護(hù)和廣域級保護(hù)。層次化保護(hù)對于解決傳統(tǒng)后備保護(hù)整定困難、動作速度慢以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行工況發(fā)生非預(yù)設(shè)性變化時(shí)保護(hù)性能難以得到保證提供了思路[3-5]。智能變電站的數(shù)據(jù)信息共享和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是層次化保護(hù)實(shí)施的基礎(chǔ)，合并單元和智能終端作為層次化保護(hù)的就地?cái)?shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元起著重要的作用，由于就地化保護(hù)取消了合并單元和智能終端，對目前層次化保護(hù)系統(tǒng)中站域級保護(hù)和廣域級保護(hù)造成極大影響。同時(shí)，目前站域保護(hù)就地采集單元基于合并單元和智能終端，均只能采集到本站的信息，而與本站相關(guān)聯(lián)的輸電線路對側(cè)數(shù)據(jù)無法采集，造成站域保護(hù)所采集數(shù)據(jù)和保護(hù)的范圍小于全站就地級保護(hù)，這也對站域保護(hù)功能的擴(kuò)展造成影響。

就地化保護(hù)通過集成SV（采樣值）輸出功能和GOOSE模塊可以取代合并單元和智能終端作為層次化保護(hù)的就地?cái)?shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元，具備該功能的就地化保護(hù)已在浙江嘉興試點(diǎn)運(yùn)行。目前的就地化線路保護(hù)依然無法為站域保護(hù)提供輸電線路對側(cè)的數(shù)據(jù)。在不改變目前就地化保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種集成站域保護(hù)就地?cái)?shù)據(jù)采集和跳閘執(zhí)行單元的就地化線路保護(hù)技術(shù)方案，利用就地化線路保護(hù)裝置采集線路本端數(shù)據(jù)，同時(shí)通過光纖通道采集獲取線路對側(cè)數(shù)據(jù)，將對側(cè)數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)SV報(bào)文輸出，供站域保護(hù)使用，擴(kuò)大站域保護(hù)信息采集范圍，為站域保護(hù)范圍的擴(kuò)展和功能的提升提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在此還對本站以及線路對側(cè)模擬量數(shù)據(jù)采集給出了詳細(xì)方案，并對模擬量的采集誤差進(jìn)行了分析，最后給出了具體的實(shí)施方案。

1 就地化保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

就地化保護(hù)系統(tǒng)采用分布式的設(shè)計(jì)理念，對于單間隔保護(hù)，本間隔相關(guān)的電流、電壓信號以及斷路器位置和控制采用電纜直接接入；對于跨間隔的變壓器和母差保護(hù)，采用分布式設(shè)計(jì)，將跨間隔保護(hù)間隔化。圖1為以線路間隔為例的就地化保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

就地化線路保護(hù)配置完整的主后備保護(hù)功能，采用電纜直接采樣，直接跳閘。通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過GOOSE網(wǎng)訂閱其他保護(hù)或控制設(shè)備的相關(guān)信號。通過電纜接入必要的斷路器信息。

相對于智能變電站，就地化保護(hù)通過單間隔二次設(shè)備功能的縱向集成，減少了合并單元和智能終端，繼電保護(hù)整組動作時(shí)間可減少8～10 ms，提高了繼電保護(hù)的速動性，同時(shí)由于中間環(huán)節(jié)的減少，提升了繼電保護(hù)的可靠性。但由于就地化保護(hù)系統(tǒng)取消了合并單元和智能終端，造成了站域保護(hù)系統(tǒng)的就地?cái)?shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元缺失。

圖1 地化線路保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 就地化線路保護(hù)技術(shù)方案

就地化線路保護(hù)功能框架如圖2所示，除完成線路保護(hù)本身的保護(hù)功能、光纖收發(fā)和同步計(jì)算功能外，還包括SV重采樣及GOOSE收發(fā)等功能模塊。

裝置內(nèi)部本地模擬量AD采樣的采樣頻率為4 kHz，保護(hù)功能和縱聯(lián)通道傳輸使用的采樣頻率為1.2 kHz，裝置輸出SV的采樣頻率為4 kHz。本地AD采樣，縱聯(lián)通道傳輸和SV輸出均為雙AD數(shù)據(jù)。線路保護(hù)裝置輸出的SV報(bào)文中僅含保護(hù)TA數(shù)據(jù)，供站域保護(hù)及廣域保護(hù)使用，其功能主要基于工頻量，所以裝置低通濾波回路按照裝置保護(hù)功能的采樣率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 就地化線路保護(hù)功能框架

本地AD采樣模塊基于裝置內(nèi)部時(shí)鐘自由采樣，保護(hù)重采樣模塊將本地AD數(shù)據(jù)重采樣為保護(hù)用數(shù)據(jù)，提供給保護(hù)功能模塊，通過縱聯(lián)通道向?qū)?cè)裝置發(fā)送，同時(shí)根據(jù)兩側(cè)采樣同步計(jì)算結(jié)果調(diào)整保護(hù)重采樣時(shí)刻，以完成線路兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步，同步計(jì)算不依賴外部對時(shí)信號。

由于就地化線路保護(hù)對外僅提供一個(gè)用于過程層接口，所以裝置對外輸出SV采用組網(wǎng)模式，同時(shí)采用SV和GOOSE共口輸出的方式。SV重采樣模塊基于對時(shí)信號對本地AD數(shù)據(jù)和對側(cè)AD數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。由于SV輸出采用組網(wǎng)模式，對SV發(fā)送時(shí)刻要求相對于點(diǎn)對點(diǎn)方式較低，同時(shí)由于線路縱聯(lián)通道可能存在一定的傳輸延時(shí)，為保證本側(cè)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)效性，兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)分2幀SV報(bào)文分別傳輸。

GOOSE模塊完成保護(hù)功能和其他保護(hù)及控制裝置間的GOOSE信號交互，同時(shí)完成本地開關(guān)量數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)跳閘信號就地執(zhí)行功能。直接采集本地開關(guān)量信息，通過縱聯(lián)通道獲取線路對側(cè)開關(guān)量信息，并以GOOSE報(bào)文方式發(fā)送至站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)。從站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)接收站域保護(hù)控制命令，驅(qū)動本裝置出口。線路保護(hù)接收對側(cè)站遠(yuǎn)跳命令并就地執(zhí)行出口是已廣泛應(yīng)用的功能，由就地化保護(hù)集成GOOSE模塊無論是技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都很成熟。文獻(xiàn)[1]指出智能終端缺陷率為4.487次/百臺·年，是常規(guī)保護(hù)裝置的2.2倍，由就地化保護(hù)集成GOOSE模塊可降低智能終端缺陷率的影響。

保護(hù)重采樣功能和目前智能站保護(hù)裝置采樣原理相同，區(qū)別在于就地化保護(hù)裝置硬件濾波回路已經(jīng)按照保護(hù)功能所需的采樣率設(shè)計(jì)，所以在重采樣之前不再需要進(jìn)行數(shù)字濾波，同時(shí)GOOSE收發(fā)技術(shù)也非常成熟，因此，保護(hù)重采樣和GOOSE收到功能文中均不再贅述，重點(diǎn)介紹了SV采樣功能。

3 就地化線路保護(hù)SV采樣方案

SV采樣包括本地模擬量SV采樣和線路對側(cè)模擬量采樣，由于采用組網(wǎng)SV方式，要求在對時(shí)信號為整秒時(shí)刻SV采樣值報(bào)文的樣本計(jì)數(shù)為0，因此SV采樣關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計(jì)算出兩側(cè)裝置的采樣延時(shí)。

3.1 本側(cè)采樣延時(shí)

裝置本地模擬量AD采樣環(huán)節(jié)如圖3所示，主要包括內(nèi)部小TA/TV變換、低通濾波和AD變換。小TA/PV變換延時(shí)可忽略，同時(shí)借助于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）準(zhǔn)確記錄采樣時(shí)刻，本側(cè)模擬量采樣的延時(shí)可近似為低通濾波回路的延時(shí)，此延時(shí)為固定值。根據(jù)裝置硬件濾波回路的相頻特性可以準(zhǔn)確計(jì)算出本側(cè)采樣延時(shí)。

3.2 對側(cè)采樣延時(shí)

裝置通過縱聯(lián)通道接收對側(cè)裝置采樣值報(bào)文，其時(shí)序如圖3所示。因此對側(cè)采樣延時(shí)包括AD采樣、保護(hù)重采樣、通道打包發(fā)送、通道延時(shí)及接收處理環(huán)節(jié)。

圖3 對側(cè)采樣時(shí)序

根據(jù)對側(cè)裝置AD采樣延時(shí)ΔtA/D的計(jì)算方法和本側(cè)采樣延時(shí)相同。裝置重采樣和通道發(fā)送均采用裝置內(nèi)部時(shí)鐘信號，根據(jù)重采樣時(shí)標(biāo)和通道發(fā)送打包時(shí)的系統(tǒng)時(shí)鐘可計(jì)算出重采樣延時(shí)Δtresample和通道發(fā)送延時(shí)Δtsend的值。對側(cè)裝置采樣延時(shí) Td1=ΔtA/D+Δtresample+Δtsend，將該延時(shí)和對應(yīng)的采樣值打包在同一數(shù)據(jù)幀中發(fā)送。

采用乒乓算法[6-7]計(jì)算縱聯(lián)通道的傳輸延時(shí)Td2，原理如圖4所示。

圖4 同步計(jì)算示意

式中：y為接收側(cè)前最近的并且已經(jīng)發(fā)送的采樣序號；x為對側(cè)反饋的序號；T為采樣周期；t1為從側(cè)收到主側(cè)反饋到從側(cè)最新一次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；t2為主側(cè)收到從側(cè)數(shù)據(jù)到向從側(cè)發(fā)送反饋的時(shí)間間隔。

本側(cè)裝置采用FPGA打時(shí)標(biāo)的方式準(zhǔn)確記錄縱聯(lián)通道報(bào)文接收時(shí)刻，接收處理延時(shí)Td3可以忽略不計(jì)。因此對側(cè)采樣延時(shí)為Td1+Td2。其中Td1從接收報(bào)文中獲取，Td2由本側(cè)裝置內(nèi)部縱聯(lián)通道同步計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算。

3.3 重采樣同步

裝置重采樣模塊根據(jù)本側(cè)采樣時(shí)刻、對側(cè)采樣值報(bào)文接收時(shí)刻及兩側(cè)的采樣延時(shí)完成兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的重采樣同步，SV重采樣基于外部對時(shí)信號，重采樣采用拋物線差值算法[8]。兩側(cè)模擬量的SV重采樣原理與合并單元相同，區(qū)別在于本側(cè)采樣延時(shí)較短且固定，而對側(cè)采樣延時(shí)相對較長，而且需要根據(jù)縱聯(lián)通道傳輸延時(shí)動態(tài)計(jì)算。如使用目前合并單元中通過一幀SV報(bào)文發(fā)送所有采樣數(shù)據(jù)，需要等對側(cè)數(shù)據(jù)到達(dá)后才可進(jìn)行重采樣，勢必會造成本側(cè)采樣數(shù)據(jù)延時(shí)的加長，因此將兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)分成兩幀SV報(bào)文發(fā)送[9]，可有效保證本側(cè)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

SV重采樣時(shí)序如圖5所示。裝置輸出SV報(bào)文的采樣率均采用4 kHz，本側(cè)模擬量采樣率為4 kHz，所以為等采樣率重采樣。由于縱聯(lián)通道傳輸容量的限制，對側(cè)模擬量為1.2 kHz，需要進(jìn)行插值重采樣為4 kHz，由于裝置采樣環(huán)節(jié)低通濾波回路均按照1.2 kHz采樣率設(shè)計(jì)，所以盡管兩側(cè)模擬量原始采樣頻率不同，采樣中包含的有效信號成分還是相同的，兩側(cè)重采樣造成的誤差在后續(xù)章節(jié)分析。

由于縱聯(lián)通道的傳輸延時(shí)隨具體工程而定，一般采用專用光纖通道或SDH（同步數(shù)字體系）復(fù)用通道，專用通道僅與線路的距離有關(guān)，具體工程的傳輸延時(shí)是固定的，復(fù)用通道在SDH路由確定后傳輸延時(shí)也基本固定，且正常傳輸延時(shí)變化較小。因此對側(cè)采樣SV報(bào)文的額定延時(shí)可根據(jù)實(shí)際的縱聯(lián)通道傳輸延時(shí)動態(tài)調(diào)整，并在通道傳輸延時(shí)的基礎(chǔ)上增加一定的裕度。

通道延時(shí)Td2計(jì)算公式為式（1）：

圖5 多頻率混合重采樣時(shí)序

3.4 站域保護(hù)同步采樣

對于站域保護(hù)接收就地化線路保護(hù)的兩組SV報(bào)文而言，和目前智能變電站1臺裝置接收2臺額定延時(shí)不同的合并單元SV報(bào)文原理相同。

就地化線路保護(hù)到站域保護(hù)之間采用組網(wǎng)模式傳輸采樣值報(bào)文，就地化線路保護(hù)輸出的SV報(bào)文經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)共享至保護(hù)專網(wǎng)，傳輸延時(shí)不穩(wěn)定，所以應(yīng)由就地化線路保護(hù)完成全站采樣數(shù)據(jù)時(shí)間同步。由于全站的就地化線路保護(hù)均基于同一時(shí)鐘進(jìn)行重采樣，所以不同MU發(fā)送相同樣本計(jì)數(shù)的數(shù)字量采樣值是同步的，站域保護(hù)依據(jù)各就地化線路保護(hù)SV報(bào)文中的樣本計(jì)數(shù)對各就地化線路保護(hù)SV報(bào)文進(jìn)行同步。如圖6所示，站域保護(hù)對收到來自PL1就地化線路保護(hù)和PL2就地化線路保護(hù)的2組SV進(jìn)行采樣同步，站域保護(hù)僅需將接收到的2組SV報(bào)文按照樣本計(jì)數(shù)進(jìn)行對齊即可完成采樣同步。

3.5 采樣誤差分析

裝置通過對本地模擬量數(shù)據(jù)和對側(cè)模擬量數(shù)據(jù)重采樣完成兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)同步，但因重采樣前兩側(cè)數(shù)據(jù)的采樣頻率不同，所以兩者誤差會存在差異，因此重點(diǎn)分析兩側(cè)數(shù)據(jù)重采樣引入的誤差。

圖6 站域保護(hù)采樣同步示意

本地采樣數(shù)據(jù)原始采樣率為4 kHz，對側(cè)采樣數(shù)據(jù)原始采樣率為1.2 kHz，通過重采樣生成采樣率為4 kHz的SV采樣數(shù)據(jù)，重采樣均采用拋物線插值算法。圖7為兩側(cè)數(shù)據(jù)在含各次諧波下重采樣誤差分布。由仿真結(jié)果可知，在工頻下本側(cè)重采樣誤差極小，對側(cè)重采樣誤差略大，但均遠(yuǎn)小于0.09%，其誤差對保護(hù)的影響可以忽略不計(jì)。

圖7 重采樣誤差分布

4 方案具體實(shí)施

就地化線路保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示，整裝置采用2片獨(dú)立的CPU（中央處理器），1個(gè)CPU負(fù)責(zé)保護(hù)邏輯計(jì)算，另一CPU負(fù)責(zé)保護(hù)啟動邏輯，通過雙CPU芯片的設(shè)計(jì)，避免了單一芯片異常導(dǎo)致的裝置誤出口問題。

裝置設(shè)計(jì)2套AD采樣系統(tǒng)，均經(jīng)啟動CPU控制，啟動CPU完成啟動邏輯判別，并將采樣數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線發(fā)送至保護(hù)CPU，保護(hù)采樣完全基于本裝置內(nèi)部時(shí)鐘。保護(hù)CPU通過縱聯(lián)通道獲取對側(cè)采樣數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部總線發(fā)至啟動CPU，啟動CPU根據(jù)外部對時(shí)信號對本地AD采樣數(shù)據(jù)和對側(cè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行SV重采樣。

圖8 裝置硬件結(jié)構(gòu)

啟動CPU集成GOOSE模塊，用于GOOSE信號的收發(fā)處理，并完成就地跳閘執(zhí)行單元功能。

就地化線路保護(hù)集成就地?cái)?shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元功能之后未改變裝置對外的輸入輸出接口。裝置硬件采用CPU芯片冗余設(shè)計(jì)，提升了裝置可靠性。

利用該方案研制的就地化線路保護(hù)裝置已經(jīng)測試和長期拷機(jī)驗(yàn)證，性能和運(yùn)行情況良好。

5 結(jié)語

提出了一種支撐站域保護(hù)的就地化線路保護(hù)技術(shù)方案，該方案中就地化線路保護(hù)在完成本間隔保護(hù)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步集成站域保護(hù)的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元功能，同時(shí)，借助線路保護(hù)的縱聯(lián)光纖通道完成線路對側(cè)模擬量及開關(guān)量的采集，通過仿真分析可知，模擬量采集功能具有較高的精度。該方案在不改變現(xiàn)有裝置對外接口的基礎(chǔ)上集成站域保護(hù)系統(tǒng)的就地?cái)?shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元功能，通過線路對側(cè)數(shù)據(jù)的采集可擴(kuò)展站域保護(hù)的保護(hù)功能和范圍，保護(hù)采樣不依賴于外部對時(shí)信號，保證了保護(hù)功能的獨(dú)立性和可靠性，裝置對外接口采用標(biāo)準(zhǔn)通訊規(guī)約，保證了工程的通用性和可擴(kuò)展性，有著廣泛推廣的現(xiàn)實(shí)意義。

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